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5G技術(shù)如何“使能”智能制造？--飛宇信
發(fā)布時(shí)間：
2019-09-09 14:39
作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，5G技術(shù)的迅猛發(fā)展正好切合了傳統(tǒng)制造企業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，5G技術(shù)定義的三大場(chǎng)景不但覆蓋了高帶寬、低延時(shí)等傳統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景，而且還能滿足工業(yè)環(huán)境下的設(shè)備互聯(lián)和遠(yuǎn)程交互應(yīng)用需求，這種廣域網(wǎng)全覆蓋的特點(diǎn)為企業(yè)構(gòu)建統(tǒng)一的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供了可能。
移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展
回顧移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展歷程，第一代采用的是模擬技術(shù)，只能支持區(qū)域和距離限制的語(yǔ)音通話；第二代實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化語(yǔ)音通訊，能進(jìn)行簡(jiǎn)單的語(yǔ)音和文字類交互，比如短信和郵件等；第三代就是大家熟知的3G技術(shù)，以多媒體通訊為特征，可以支持語(yǔ)音、文字和視頻交互，但由于帶寬有限，在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)交互時(shí)，如視頻交互時(shí)很難保證效果的流暢；第四代是正在鋪建的4G技術(shù)，通訊速率大幅提升，標(biāo)志著進(jìn)入無(wú)線寬帶年代。
從當(dāng)前電信服務(wù)商做的基站測(cè)試結(jié)果看，5G的速度將會(huì)比4G更快且功耗更低，理論帶寬將突破每秒10G。這保證你能夠在一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影，而4G需要至少10分鐘。恰是由于這一得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，業(yè)界普遍認(rèn)為，5G將對(duì)智能工業(yè)、無(wú)人駕駛汽車、VR以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域產(chǎn)生重要推動(dòng)作用。
目前，5G標(biāo)準(zhǔn)尚未確定。AT＆T總裁史密斯認(rèn)為，對(duì)于5G的定義可能于2018年確定，正式的5G標(biāo)準(zhǔn)將于2019年由聯(lián)合國(guó)行動(dòng)通信聯(lián)盟編寫成文。5G標(biāo)準(zhǔn)將定義哪些無(wú)線技術(shù)可稱為5G，以及5G有哪些特征等問(wèn)題。
5G定義的三大場(chǎng)景
2016年，華為主推的PolarCode方案被國(guó)際無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)3GPP確定為eMBB場(chǎng)景的控制信道編碼方案，而數(shù)據(jù)信道的上行和下行短碼方案則歸屬高通LDPC碼。eMBB即增強(qiáng)移動(dòng)寬帶，是3GPP會(huì)議上定義5G三大場(chǎng)景之一。華為的PolarCode信道編碼技術(shù)只是5G眾多核心技術(shù)的一種。除eMBB之外，5G場(chǎng)景還包括mMTC和URLLC。
eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）：主要面向3D／超高清視頻等大流量移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)，eMBB除了在6GHz以下的頻譜發(fā)展相關(guān)技術(shù)，也會(huì)發(fā)展在6GHz以上的頻譜。而小型基地臺(tái)將會(huì)是發(fā)展eMBB的重要設(shè)備，由于目前6GHz以下的頻譜，大多是以大型基地臺(tái)發(fā)展的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模式為主，而較以6GHz以上頻譜的毫米波技術(shù)，便須要小型基地臺(tái)來(lái)把速度沖得更快。
mMTC（海量機(jī)器類通信）：主要面向大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。mMTC將會(huì)發(fā)展在6GHz以下的頻段，其將會(huì)應(yīng)用在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)上，目前較可見(jiàn)的發(fā)展是NB－IoT。以往普遍的Wi－Fi、Zigbee、藍(lán)牙等，較屬于家庭用的小范圍技術(shù)，回傳線路主要都是靠LTE，近期隨著大范圍覆蓋的NB－IoT、LoRa等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的出爐，可望讓物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展更為廣泛。
URLLC（超可靠低時(shí)延）：主要面向無(wú)人駕駛、工業(yè)自動(dòng)化等需要低時(shí)延、高可靠連接的業(yè)務(wù)。在智慧工廠，由于大量的機(jī)器都內(nèi)建傳感器，從傳感器、后端網(wǎng)絡(luò)、下指令，再傳送回機(jī)器本身的這些過(guò)程，若以現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)傳輸，將出現(xiàn)很明顯的延遲，可能引發(fā)工安事故。有鑒于此，URLLC將網(wǎng)絡(luò)等待時(shí)間的目標(biāo)壓低到1毫秒以下。
5G支撐的工業(yè)應(yīng)用
物聯(lián)網(wǎng)
隨著工廠智能化轉(zhuǎn)型的推進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)作為連接人、機(jī)器和設(shè)備的關(guān)鍵支撐技術(shù)正受到企業(yè)的高度關(guān)注。這種需求在推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用落地的同時(shí)，也極大的刺激了5G技術(shù)的發(fā)展。面對(duì)復(fù)雜的工業(yè)互聯(lián)需求，5G技術(shù)需要適應(yīng)不同的工業(yè)場(chǎng)景，能滿足物聯(lián)網(wǎng)的絕大部分連接需求。因此，5G與物聯(lián)網(wǎng)是相輔相成的關(guān)系，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用落地依賴于5G提供不同場(chǎng)景的無(wú)線連接方案，而5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的成熟也需要物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求的刺激和推動(dòng)。
在推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)落地過(guò)程中，5G三大場(chǎng)景能分別支撐不同的功能應(yīng)用需求。比如eMBB能支撐起遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議等高帶寬的應(yīng)用場(chǎng)景；mMTC能滿足大量低功耗嵌入式終端的數(shù)據(jù)連接與傳輸需求。URLLC可以將網(wǎng)絡(luò)等待時(shí)間的目標(biāo)壓低到1毫秒以下，以支撐工業(yè)自動(dòng)化控制過(guò)程中系統(tǒng)和設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性的諸多指標(biāo)和要求。
工業(yè)自動(dòng)化控制
自動(dòng)化控制是制造工廠中最基礎(chǔ)的應(yīng)用，核心是閉環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)的控制周期內(nèi)每個(gè)傳感器進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給控制器以設(shè)定執(zhí)行器。典型的閉環(huán)控制過(guò)程周期低至ms級(jí)別，所以系統(tǒng)通信的時(shí)延需要達(dá)到ms級(jí)別甚至更低才能保證控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確控制，同時(shí)對(duì)可靠性也有極高的要求。如果在生產(chǎn)過(guò)程中由于時(shí)延過(guò)長(zhǎng)，或者控制信息在數(shù)據(jù)傳送時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤可能導(dǎo)致生產(chǎn)停機(jī)，會(huì)造成巨大的財(cái)務(wù)損失。
5G可提供極低時(shí)延長(zhǎng)、高可靠，海量連接的網(wǎng)絡(luò)，使得閉環(huán)控制應(yīng)用通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接成為可能?；谌A為5G的實(shí)測(cè)能力：空口時(shí)延可到0．4ms，單小區(qū)下行速率達(dá)到20Gbps，小區(qū)最大可支持1000萬(wàn)＋連接數(shù)。由此可見(jiàn)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中僅有5G網(wǎng)絡(luò)可滿足閉環(huán)控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求。
物流追蹤
在目前已成規(guī)模的機(jī)器對(duì)機(jī)器市場(chǎng)中，其應(yīng)用將包括人員跟蹤和在途高價(jià)商品等。但（較）高連接成本限制了該市場(chǎng)的增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)5G將在深度覆蓋、低功耗和低成本（規(guī)模經(jīng)濟(jì)）以及作為3GPP標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)方面提供額外優(yōu)勢(shì)。5G提供的改進(jìn)將包括在廣泛產(chǎn)業(yè)中優(yōu)化物流，提升工人安全和提高資產(chǎn)定位與跟蹤的效率，從而最小化成本。它還將擴(kuò)展能力以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤更廣泛的在途商品。隨著在線購(gòu)物增多，資產(chǎn)跟蹤將變得更加重要。
在物流方面，從倉(cāng)庫(kù)管理到物流配送均需要廣覆蓋、深覆蓋、低功耗、大連接、低成本的連接技術(shù)。此外，虛擬工廠的端到端整合跨越產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，要連接分布廣泛的已售出的商品，也需要低功耗、低成本和廣覆蓋的網(wǎng)絡(luò)，企業(yè)內(nèi)部或企業(yè)之間的橫向集成也需要無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)能很好的滿足這類需求。
工業(yè)AR
在未來(lái)智能工廠生產(chǎn)過(guò)程中，人將發(fā)揮更重要的作用。然而由于未來(lái)工廠具有高度的靈活性和多功能性，這將對(duì)工廠車間工作人員有更高的要求。為快速滿足新任務(wù)和生產(chǎn)活動(dòng)的需求，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR將發(fā)揮很關(guān)鍵作用，在智能制造過(guò)程中可用于如下場(chǎng)景：如：監(jiān)控流程和生產(chǎn)流程。生產(chǎn)任務(wù)分步指引，例如手動(dòng)裝配過(guò)程指導(dǎo)；遠(yuǎn)程專家業(yè)務(wù)支撐，例如遠(yuǎn)程維護(hù)。
在這些應(yīng)用中，輔助AR設(shè)施需要最大程度具備靈活性和輕便性，以便維護(hù)工作高效開展。因此需要將設(shè)備信息處理功能上移到云端，AR設(shè)備僅僅具備連接和顯示的功能，AR設(shè)備和云端通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。AR設(shè)備將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取必要的信息（例如，生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)、以及故障處理指導(dǎo)信息）。在這種場(chǎng)景下AR眼鏡的顯示內(nèi)容必須與AR設(shè)備中攝像頭的運(yùn)動(dòng)同步，以避免視覺(jué)范圍失步現(xiàn)象。通常從視覺(jué)移動(dòng)到AR圖像反應(yīng)時(shí)間低于20ms，則會(huì)有較好的同步性，所以要求從攝像頭傳送數(shù)據(jù)到云端到AR顯示內(nèi)容的云端回傳需要小于20mms，除去屏幕刷新和云端處理的時(shí)延，則需無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的雙向傳輸時(shí)延在10ms內(nèi)才能滿足實(shí)時(shí)性體驗(yàn)的需求。而該時(shí)延要求，LTE網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足。
云化機(jī)器人
在智能制造生產(chǎn)場(chǎng)景中，需要機(jī)器人有自組織和協(xié)同的能力來(lái)滿足柔性生產(chǎn)，這就帶來(lái)了機(jī)器人對(duì)云化的需求。和傳統(tǒng)的機(jī)器人相比，云化機(jī)器人需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到云端的控制中心，基于超高計(jì)算能力的平臺(tái)，并通過(guò)大數(shù)據(jù)和人工智能對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算控制。通過(guò)云技術(shù)機(jī)器人將大量運(yùn)算功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能移到云端，這將大大降低機(jī)器人本身的硬件成本和功耗。并且為了滿足柔性制造的需求，機(jī)器人需要滿足可自由移動(dòng)的要求。因此在機(jī)器人云化的過(guò)程中，需要無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)具備極低時(shí)延和高可靠的特征。
5G網(wǎng)絡(luò)與云化機(jī)器人
5G網(wǎng)絡(luò)是云化機(jī)器人理想的通信網(wǎng)絡(luò)，是使能云化機(jī)器人的關(guān)鍵。5G切片網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)樵苹瘷C(jī)器人應(yīng)用提供端到端定制化的網(wǎng)絡(luò)支撐。5G網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到低至1ms的端到端通信時(shí)延，并且支持99．999％的連接可靠性，強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)能力能夠極大滿足云化機(jī)器人對(duì)時(shí)延和可靠性的挑戰(zhàn)。
總結(jié)
5G技術(shù)已經(jīng)成為支撐智能制造轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵使能技術(shù)。5G技術(shù)可以利用三大場(chǎng)景將分布廣泛、零散的人、機(jī)器和設(shè)備全部連接起來(lái)，構(gòu)建統(tǒng)一的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。由于實(shí)時(shí)性和可靠性高，5G技術(shù)不但能應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)景中，還能支撐起個(gè)人移動(dòng)化互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。5G技術(shù)的發(fā)展可以幫助制造企業(yè)擺脫以往無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)較為混亂的應(yīng)用狀態(tài)，這對(duì)于推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施以及智能制造的深化轉(zhuǎn)型有著積極的意義。
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